なぜ機械部品に鋳物が使われる？鋳鉄・製缶・鋳鋼・鍛造・アルミの違いを比較
なぜ今も機械部品に鋳物が使われるのか？
自動車をはじめ、さまざまな機械や設備で軽量化や高強度化が進んでいます。
その一方で、工作機械や印刷機械などでは、現在も重量のある鋳鉄製の部品が数多く使用されています。
金属部品を製造する方法には、FC（片状黒鉛鋳鉄）やFCD（球状黒鉛鋳鉄）などを用いた鋳鉄鋳造のほか、鋳鋼、製缶・溶接構造、鍛造、切削加工（削り出し）、アルミ鋳造、ダイカスト、プレス加工、粉末冶金、金属3Dプリントなど、さまざまな加工法・製造方法があります。
また、使用する材料についても、鋳鉄や鋼だけでなく、アルミニウム合金、ステンレス鋼、チタン合金など多くの選択肢があり、部品に求められる性能によって適した材料や製造方法は異なります。
では、これだけ多くの材料や製造方法がある中で、なぜ工作機械や印刷機械には現在も鋳鉄鋳物が使われているのでしょうか。
鋳鉄は、すべての性能において他の金属材料より優れているわけではありません。
軽量化ではアルミニウム合金、高い引張強さや靭性が求められる用途では鋳鋼や鍛造鋼など、鋳鉄より適した選択肢が存在します。
また、製品の形状や数量によっては、鋼板や形鋼を組み合わせる製缶・溶接構造の方が合理的な場合もあります。
一方、鋳鉄には振動を減衰しやすい、切削加工性に優れる、複雑な形状や大型部品を一体で製造しやすいといった特徴があります。
重要なのは、「最も軽い材料」や「最も強い材料」を選ぶことではなく、その部品に求められる性能に適した材料と製造方法を選ぶことです。
この記事では、鋳鉄（FC・FCD）、製缶・溶接構造、鋳鋼、鍛造、アルミニウム系を中心に、それぞれの特徴を比較しながら、なぜ現在もさまざまな機械部品に鋳物が使われているのかをご紹介します。
金属部品に求められる性能は用途によって違う
金属材料や製造方法を選ぶ際、単純に「強い材料」「軽い材料」を選べばよいわけではありません。
部品が使用される場所や役割によって、求められる性能は大きく異なります。
例えば、高速で動く部品では軽量化が大きなメリットになります。
部品を軽くすることで慣性を小さくでき、加減速性能の向上や駆動系への負荷低減などにつながるためです。
一方、床などに据え付けて使用する大型機械の固定構造部では、軽さだけが重要とは限りません。
荷重を受けても変形しにくいこと、振動を抑えること、温度変化による影響を考慮することなど、機械全体の性能を支えるさまざまな特性が求められます。
「強度」と「剛性」は同じではありません
機械部品を考えるうえでは、「強度」と「剛性」の違いも重要です。
強度は、材料が破壊や永久変形にどれだけ耐えられるかを表す性質です。
一方、剛性は、力を受けたときにどれだけ変形しにくいかを表します。
そのため、引張強さの高い材料を使用したからといって、それだけで機械構造全体の変形が小さくなるとは限りません。
材料の性質だけでなく、部品の断面形状、肉厚、リブの配置なども構造全体の剛性に大きく関係します。
部品によって重視する性能は変わります
金属部品に求められる代表的な性能には、次のようなものがあります。
- 軽量性
- 引張強さ
- 圧縮荷重に対する特性
- 靭性・耐衝撃性
- 疲労特性
- 剛性
- 振動減衰性
- 熱的な安定性
- 切削加工性
- 複雑な形状を製造できる形状自由度
- 大型化への対応
- 設計変更への対応
- 製造数量とコスト
これらすべての性能において、他の材料より優れた材料が存在するわけではありません。
何を重視するかによって、適した材料や製造方法は変わります。
「最も強い材料」が「最も適した材料」とは限りません
例えば、高い引張強さや靭性、疲労特性が重要な部品では、鍛造鋼や鋳鋼などが有力な選択肢となります。
軽量化を最優先する部品では、アルミニウム合金などが適している場合があります。
また、大型構造物で設計変更への対応を重視する場合には、製缶・溶接構造が合理的なこともあります。
一方、振動を抑えたい、機械加工を行いやすくしたい、複雑な大型形状を一体で製造したいといった要求では、鋳鉄の特性を活かせる場合があります。
つまり、材料や製造方法を選ぶうえで重要なのは、一つの性能だけを比較することではなく、
「その部品に何を求めるのか」から考えることです。
鋳鉄と他の材料・製造方法を比較すると
ここまで見てきたように、金属材料や製造方法にはそれぞれ異なる特徴があります。
ここからは、鋳鉄と代表的な材料・製造方法との違いを簡単にご紹介します。
鋳鉄 vs 製缶・溶接構造
製缶・溶接構造は、鋼板や形鋼などを切断・曲げ・溶接して組み合わせることで構造物を製作する方法です。
必要な箇所に鋼板やリブなどを配置できるため、強度や剛性を確保しながら軽量な構造をつくりやすく、設計変更にも比較的対応しやすいという特徴があります。
一方、鋳鉄鋳物は鋳型を使用することで、リブ、ボス、中空部、肉厚変化などを含む複雑な形状を一体で製造できます。
また、FC（片状黒鉛鋳鉄）は振動減衰性や切削加工性に優れており、工作機械などの大型構造部品に適した特徴を持っています。
そのため、軽量化や設計変更への対応を重視する場合には製缶構造が、振動特性や複雑な一体形状などを重視する場合には鋳鉄鋳物が有力な選択肢となります。
鋳鉄 vs 鋳鋼
鋳鋼は、鋳鉄と同じく溶かした金属を鋳型へ流し込み、凝固させることで製造される鋳造品です。
そのため、複雑な形状を一体で製造できるという鋳造ならではの特徴を持っています。
一方、材料としての性質には大きな違いがあります。
一般に鋳鋼は鋳鉄よりも引張強さ、伸び、靭性、耐衝撃性などに優れており、大きな荷重や衝撃を受ける部品では鋳鋼が適している場合があります。
これに対してFCは、引張強さや靭性では鋼系材料に及ばないものの、振動減衰性、切削加工性、圧縮荷重に対する特性などに特徴があります。
また、鋳造性や製造性の違いも材料選定に関係します。
単純に強度の高い材料を選ぶのではなく、部品に必要な強度、振動特性、加工性、形状などを総合的に考えることが重要です。
鋳造 vs 鍛造
鋳造が金属を溶かして鋳型の中で凝固させる製造方法であるのに対し、鍛造は固体の金属に圧力を加え、塑性変形させることで目的の形状をつくる製造方法です。
鍛造は、高い強度や靭性、疲労特性などが求められる部品に適しており、シャフト、ギア、クランクシャフトなど、大きな荷重や繰り返し荷重を受ける部品に広く利用されています。
一方、鋳造は溶けた金属を鋳型によって成形するため、大型形状や複雑形状、中空部、リブ、ボスなどを一体で製造できることが大きな特徴です。
そのため、強度や靭性を特に重視する部品では鍛造が、大型・複雑な形状を一体で製造したい場合には鋳造が有力な選択肢となります。
鋳鉄 vs アルミニウム
アルミニウム合金の大きな特徴の一つが軽さです。
一般的なアルミニウム合金の密度は鋳鉄の4割弱程度であり、部品を大幅に軽量化できる可能性があります。
特に高速で移動する部品では、軽量化によって慣性を小さくできるため、加減速性能の向上や駆動系への負荷低減などにつながります。
自動車、航空機、ロボットなど、軽量化そのものが性能に直結する分野では、アルミニウム合金が大きなメリットを持ちます。
一方、工作機械や印刷機械の固定構造部では、必ずしも軽さだけが求められるわけではありません。
剛性、振動特性、熱による寸法変化、加工性などを含め、機械全体として必要な性能を考える必要があります。
FCは重量がある一方で、優れた振動減衰性や切削加工性などを持っています。
そのため、動かす部品と固定する部品では、同じ機械の中でも適した材料が異なる場合があります。
部品に何を求めるかで、選択肢は変わる
ここまで比較してきたように、鋳鉄、鋳鋼、鍛造鋼、アルミニウム合金、製缶・溶接構造には、それぞれ異なる特徴があります。
そのため、材料や製造方法を選ぶ際には、「どの材料が一番優れているか」ではなく、
「その部品にどのような性能が求められているか」から考えることが重要です。
軽量化を重視する場合
高速で移動する部品など、軽量化そのものが機械性能の向上につながる場合には、アルミニウム合金などが有力な選択肢となります。
また、大型構造物でも、鋼板や形鋼を組み合わせる製缶・溶接構造によって、必要な強度や剛性を確保しながら軽量化できる場合があります。
強度・靭性・耐衝撃性を重視する場合
大きな引張荷重や衝撃荷重、繰り返し荷重などを受ける部品では、鋳鋼や鍛造鋼、FCD（球状黒鉛鋳鉄）などが候補となります。
その中でも、複雑な形状を一体で製造したい場合には鋳鋼やFCD、特に高い強度や靭性、疲労特性などが求められる部品では鍛造が適する場合があります。
大型・複雑な形状を一体で製造したい場合
大型部品にリブ、ボス、中空部、肉厚変化などを設け、それらを一つの部品として製造したい場合には、鋳造が有力な選択肢となります。
鋳型と中子を利用することで、機械加工や溶接だけでは製作が複雑になる形状でも、一体の鋳物として製造できる場合があります。
設計変更への対応を重視する場合
試作品や一品物、形状変更を繰り返す可能性がある構造物では、製缶・溶接構造が適している場合があります。
鋳造では基本的に製品形状に合わせた模型が必要になるため、大幅な形状変更では模型の改造や新作が必要になることがあります。
一方、製缶構造では鋼板の形状や配置、溶接構造などを変更することで対応できる場合があります。
振動を抑えたい場合
工作機械や印刷機械など、振動が機械性能や加工精度などに影響する機械では、振動特性も材料選定の重要な要素となります。
FC（片状黒鉛鋳鉄）は、鋼などと比較して振動減衰性に優れていることから、振動を抑えたい機械の構造部品に適した特徴を持っています。
機械加工のしやすさを重視する場合
鋳造後に広い面積を切削したり、多数の加工部を設けたりする部品では、切削加工性も重要です。
FCは切削加工性に優れており、大型の鋳物に多くの機械加工を行う工作機械部品などでは、この特性を活かすことができます。
工作機械のベッドで考えてみると
ここで、工作機械を支える「ベッド」を例に考えてみます。
工作機械のベッドは、床などに据え付けられ、機械全体を支える大型の構造部品です。
自動車やロボットの可動部のように、部品そのものを高速で動かすことを主な目的としているわけではありません。
そのため、単純な軽さだけではなく、機械を安定して支える構造、振動特性、機械加工のしやすさ、複雑な形状を一体で製造できることなど、さまざまな性能が求められます。
また、ベッドには剛性を確保するためのリブや、重量を抑えるための中空部、各部品を取り付けるための形状などが設けられることがあります。
鋳造では、こうした複雑な形状を鋳型や中子によって一体で製造することができます。
さらにFCは振動減衰性や切削加工性に優れているため、鋳造後に大きな加工面を持ち、振動の影響を考慮する必要がある工作機械の構造部品と相性のよい材料の一つです。
つまり、工作機械のベッドに鋳鉄が使用されているのは、単に「昔から鋳物で作られているから」ではありません。
部品に求められる性能と、鋳鉄鋳物が持つ特徴が合っていることが、その理由の一つです。
「重いこと」は、必ずしも欠点ではありません
機械の軽量化が進む現在、「重い」という性質は一見するとデメリットのように感じられます。
しかし、軽量化によって得られるメリットは、部品の役割によって異なります。
高速で移動する部品では、軽量化によって慣性を小さくできることが大きなメリットになります。
一方、床などに据え付けて使用する機械の固定構造部では、軽量化だけを追求する必要がない場合があります。
機械全体の性能を考えるうえでは、質量だけでなく、剛性、振動特性、熱的な特性、加工性などを総合的に考える必要があります。
したがって、「軽い材料ほど優れている」「強い材料ほど優れている」と単純に考えるのではなく、
その部品がどのような役割を持ち、何を求められているのかを考えることが重要です。
適材適所だからこそ、鋳鉄は現在も使われています
鋳鉄は、すべての性能で他の金属材料より優れているわけではありません。
軽量性ではアルミニウム合金が有利であり、高い引張強さや靭性が必要な用途では鋳鋼や鍛造鋼などが適している場合があります。
また、製品の形状や数量、設計変更への対応などを考えると、製缶・溶接構造の方が合理的な場合もあります。
一方、鋳鉄には、振動減衰性、切削加工性、圧縮荷重に対する特性、大型で複雑な形状を一体で製造しやすいことなど、鋳鉄ならではの特徴があります。
工作機械や印刷機械には、大型で複雑な形状を持ち、機械加工を必要とし、振動の影響も考慮しなければならない構造部品が数多くあります。
こうした部品に求められる性能と鋳鉄の特性が合致することが、軽量化や高強度化が進んだ現在でも鋳鉄鋳物が使われ続けている理由の一つです。
重要なのは、鋳鉄、鋳鋼、鍛造鋼、アルミニウム合金、製缶・溶接構造のどれが優れているかを決めることではありません。
それぞれの材料と製造方法の特徴を理解し、部品に求められる性能に合わせて適切に選択することが、ものづくりでは重要です。
鋳鉄と製缶・溶接構造、鋳鋼、鍛造、アルミニウムとの違いについては、それぞれの技術情報でさらに詳しくご紹介しています。